精密机械零件常规设计——弹性元件

1、精密机械零件常规设计精密机械零件常规设计弹性元件设计弹性元件设计董立泉北京理工大学光电学院年 月62009年5月6日课课 程程 简简 介介?课程的性质：课程的性质：课课 程程 简简 介介?以通用零件设计为主的设计性课程?具有承上启下的作用，为课程设计打下必要的基础?具有承上启下的作用，为课程设计打下必要的基础?课程的任务课程的任务：?课程的任务课程的任务：?掌握通用机械零件的工作原理、结构特点和应用知识?掌握通用零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计机械传动装置和简单机械的能力具有设计机械、传动装置和简单机械的能力?具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力弹性元件弹性元件?两个基本概念：?材料的弹性：材料的弹性：材料在外力作用下要产生变形，除去外力后能恢复其原来的形状，这种性能称为材料的弹性。弹性元件弹性元件?弹性元件弹性元件：凡是利用材料的弹性制成的，可以完成各种功能凡是利用材料的弹性制成的，可以完成各种功能的零件。思考与讨论思考与讨论?在日常生活中都接触过哪些弹性元件？请?在日常生活中都接触过哪些弹性元件？请举例说明并简单归纳下它们都起到什举例说明。并简单

2、归纳一下它们都起到什么样的作用？?如何来表征弹性元件的性能？弹性元件介绍弹性元件介绍弹性元件介绍弹性元件介绍弹性元件的类型弹性元件的类型?按照弹性元件的形状和设计特点分两大类?弹簧弹簧螺旋弹簧片弹簧金属弹簧螺旋弹簧、片弹簧、双金属弹簧在长度方面的尺寸远远大于断面直径或宽度，其设计可在长度方面的尺寸远远大于断面直径或宽度，其设计可按材料力学材料力学公式进行?压力弹性敏感元件压力弹性敏感元件膜片与膜盒、波纹管、弹簧管工作直径远远大于其厚度，其设计应按照弹性力学弹性力学理论工作直径远远大于其厚度，其设计应按照弹性力学弹性力学理论进行弹性元件的应用弹性元件的应用?测量：测量： 利用弹性元件把某些物理量(如力压力力矩温度?利用弹性元件把某些物理量(如力、压力、力矩、温度 等)转变为弹性元件的变形(位移或转角)，以便进行测 量和控制量和控制。 ?要求：力和变形之间的关系准确，不随时间和温度的 变化而变化。变化而变化。?产生力：产生力： ?利用弹性元件的变形产生一定的力使相互作用的两?利用弹性元件的变形产生一定的力，使相互作用的两 个零件产生相互压紧，形成力封闭。 ?要求：在一定变形下产生所需要的封

3、闭力。要求：在定变形下产生所需要的封闭力。?其他用途：其他用途： ?作为温度补偿元件减振元件弹性联接元件弹性?作为温度补偿元件、减振元件、弹性联接元件、弹性 支承、弹性导轨弹性元件的基本性能弹性元件的基本性能?性能表征指标(参数)：()?特性特性作用在弹性元件上的物理量(力、力矩、温度等)与其 引起的变形(位移或转角)之间的关系。 ?灵敏度灵敏度弹性元件的变形量增量与作用在弹性元件上的载荷增弹性元件的变形量增量与作用在弹性元件上的载荷增 量的比值，在载荷增量趋于零时的极限。 ?刚度刚度刚度刚度作用在弹性元件上的载荷增量与其产生变形增量的比 值在变形增量趋于零时的极限值，在变形增量趋于零时的极限。案例分析案例分析?右图为弹簧在内燃机进、排气阀门控制中的应用实例。在这个机构中，凸轮1的运动带动杆2的上下运动和凸轮1的运动带动杆2的上下运动和杆3的摆动。杆3与杆4高副接触，当杆3顺时针摆动时，推动杆4向下运动，从而使气缸与大气相通，做吸动从而使气与大气相做吸气或者排气冲程；当杆3做逆时针摆动时弹簧依靠弹力使杆 向上运动动时，弹簧依靠弹力使杆4向上运动，一方面关闭气缸，一方面使杆3与杆4保持接

4、触。弹 簧 概 述弹 簧 概 述?弹簧是常用的弹性零件。弹常弹零件?弹簧在受载后产生较大的弹性变形，吸收并储存能量。在弹簧材料弹性极限的范围内它具有受?在弹簧材料弹性极限的范围内，它具有受力（或力矩）与相应的变形成线形关系的力（或力矩）与相应的变形成线形关系的特点。?弹簧在仪器、仪表及机械电气自动化系统中被广泛应用中被广泛应用。弹簧的类别弹簧的类别?按弹簧的受力性质不同，弹簧主要分为：按弹力质弹要分拉伸弹簧，压缩弹簧，扭转弹簧和弯曲弹簧簧。?按弹簧的形状不同又可分为螺旋弹簧板?按弹簧的形状不同又可分为螺旋弹簧、板弹簧、环形弹簧、碟形弹簧等。?此外还有空气弹簧、橡胶弹簧等。弹簧的功用弹簧的功用各式弹簧各式弹簧?弹簧有以下的主要功能：1）控制机械的运动: 例如内燃机中控制气缸阀 门启闭的弹簧离合器中的控制弹簧1门启闭的弹簧、离合器中的控制弹簧1 2）吸收振动和冲击能量: 例如各种车辆中的减 振弹簧及各种缓冲器的弹簧等2 3）存储和释放能量: 例如钟表弹簧、枪栓弹簧存储和释放能量例如钟表弹簧枪栓弹簧 等3 4）测量力的大小例如弹簧秤和测力器中的弹4）测量力的大小: 例如弹簧秤和测力器中的弹

5、簧等4第一章第一章螺旋弹簧设计螺旋弹簧设计第一章第一章螺旋弹簧设计螺旋弹簧设计本章介绍了螺旋弹簧的特点及其适用场合，并本章介绍了螺旋弹簧的特点及其适用场合，并 以圆柱螺旋以圆柱螺旋（压缩与拉伸压缩与拉伸）弹簧为主弹簧为主对弹簧对弹簧以圆柱螺旋以圆柱螺旋（压缩与拉伸压缩与拉伸）弹簧为主弹簧为主，对弹簧对弹簧 设计的基本理论和设计方法进行了讨论。设计的基本理论和设计方法进行了讨论。螺旋弹簧设计螺旋弹簧设计在般机械中最常用的是圆柱螺旋弹簧在一般机械中，最常用的是圆柱螺旋弹簧。本章主要讲述圆柱拉伸压缩螺旋弹簧的结本章主要讲述圆柱拉伸、压缩螺旋弹簧的结构形式、制造工艺与材料；圆柱拉伸、压缩构形式制造艺与材料；圆柱拉伸压缩螺旋弹簧的应力分析、变形分析、设计理论和计算方法，其它类型的弹簧只略作介绍。螺旋弹簧螺旋弹簧圆柱螺旋弹簧是金属丝按螺旋线卷绕而成，制造简单，应用 广泛。根据功用可分为:拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧弹簧的端部结构除参加变形的有效圈数弹簧的端部结构：除参加变形的有效圈数 n外，其两端各有0.751.75圈并不参加变形称支承圈形，称支承圈。锥形弹簧螺旋弹簧的结构螺旋弹簧的结构(1) Y型型

6、压缩弹簧压缩弹簧（依端部结构不同而再细分） 型型两端面圈并紧磨平两端面圈并紧磨平a、YI型型： 两端面圈并紧磨平两端面圈并紧磨平 b、Y型：两端面圈并紧不磨平。型：两端面圈并紧不磨平。 磨平部分不少于圆周长的磨平部分不少于圆周长的3/4，端头厚度一般不少，端头厚度一般不少 于于d/8于于d/8。( )Y型型(a)Y型型(b)Y型型(b)Y型型螺旋弹簧的结构螺旋弹簧的结构(2) L型型拉伸弹簧拉伸弹簧（依端部结构不同而再（依端部结构不同而再细分细分） a、LI型： 半圆形钩型： 半圆形钩 b、L型型：圆环钩圆环钩b、L型型：圆环钩圆环钩 c、L型：可调式挂钩，用于受力较大时型：可调式挂钩，用于受力较大时第一节基本设计公式第一节基本设计公式1、强度计算：强度计算的目的是确定弹簧直径2、刚度计算：刚度计算的目的是确定弹簧工作圈数3、稳定性计算：当弹簧圈数较多，高径比较大时，易发生失稳现象，使弹簧产生侧向弯曲。(一)几何参数计算?普通圆柱螺旋弹簧的主要几 何尺寸有：?外径 D、?中径 D2、?内径 D?内径 D1、?节距 t 、?螺旋角?弹 簧丝直径 d?弹簧的旋向可以是右旋或左 旋，常用右旋

7、。旋，常用右旋。(一)几何参数计算?普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径 D、中径 D2、 内径 D节距 t螺旋升角及弹 簧丝直径 d内径 D1、节距 t 、螺旋升角及弹 簧丝直径 d。?对圆柱螺旋压缩弹簧一般在59范围内选取。弹簧的 旋向可以是右旋或左旋常用右旋旋向可以是右旋或左旋，常用右旋。p2tanDp= =2nDL2= =圆柱螺旋（拉、压）弹簧的几何尺寸参数圆柱螺旋（拉、压）弹簧的几何尺寸参数（二）弹簧指数、曲度系数?弹簧指数(旋绕比) C弹簧中径D2与簧丝直径d的比值 C D /dC=D2/dC值大小对弹簧刚度影响很大。弹簧丝直径d相同时，C值小 则弹簧中径D 也小其刚度较大弹簧也就愈硬反之则则弹簧中径D2也小，其刚度较大，弹簧也就愈硬；反之则 刚度较小弹簧也就愈软。 C值愈小的弹簧卷制愈困难，且在 作时会起较大的应力常 值在范围内工作时会引起较大的切应力。通常C值在416范围内，可 按下表选取。?表圆柱螺旋弹簧常用弹簧指数C弹簧直径弹簧直径d0.20.40.511.12.22.567161842旋绕比旋绕比C7145125104104846?曲度系数K是弹簧指数C 的函数

8、CCCK615. 0 4414+ + = =（三）特性曲线线1、定义：弹簧所受载荷与其变形之间的关系曲线称为弹簧的 特性曲线特性曲线2、载荷与变形：对于压簧或拉簧，载荷为压力或拉力，变形 是指弹簧压缩量或伸长量对于扭转弹簧载荷是指扭矩是指弹簧压缩量或伸长量；对于扭转弹簧，载荷是指扭矩， 变形是指扭角3、常见类型：弹簧可以按刚度分为定刚度弹簧（直线型特性 线）和变刚度弹簧（曲线或折线型特性线），受动载荷或冲 击载荷作用的弹簧往往设计成变刚度弹簧。常见的弹簧特性 曲线有四种a、b、c、d曲线有四种?实际上弹簧刚度就是弹簧特性曲线上某点的斜率?弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上作为检验与试验?弹簧的特性曲线应绘制在弹簧的工作图上，作为检验与试验 的依据之一（四）弹簧的受力簧的力?压缩弹簧：当弹簧受轴向压力F时，在弹簧丝的横剖面上 将作用着：扭矩 TFRcos弯矩 MFRsin切向将作用着：扭矩 T = FRcos ，弯矩 M= FRsin ，切向 力PQ= Fcos 和法向力 NF= Fsin （式中R=D2/2为弹簧 的平均半径）由于弹簧螺旋角的值不大（对于压缩弹的平均半径）。由于弹簧螺

9、旋角的值不大（对于压缩弹 簧为5090）,所以弯矩M和法向力N可以忽略不计。因此， 在弹簧丝中起主作的外力将扭矩切向力在弹簧丝中起主要作用的外力将是扭矩T和切向力Q。 的值较小时，cos 1,可取T = FR 和 Q = F。这种简化对 于计算的准确性影响不大。?拉伸弹簧：当受轴向拉力F时，弹簧丝横剖面上的受力情拉伸弹簧当受轴向拉力 时，弹簧丝横剖面的受力情 况和压缩弹簧相同，只是扭矩T和切向力Q均为相反的方 向。向。（五）拉（压）弹簧的强度计算（五）拉（压）弹簧的强度计算对于圆形直梁，由扭矩和切向力引起的剪应力系数Ks为切向力作用时对扭应力的修正系数，C常在4-16中选取,故d/2 D2 数值相应为1/8 1/32取Ks=1 剪应力值相应为1/8-1/32，取Ks=1, 剪应力?上式为圆截面直梁在扭转力矩作用下，横截面内切应力计算式。但弹簧并非直梁仅可用作简化计算为弥补基本假设的不足常引入曲度系数并非直梁，仅可用作简化计算。为弥补基本假设的不足，常引入曲度系数K加以修正 C615014 CCCK615. 0 4414+ + = =（五）拉（压）弹簧的强度计算（五）拉（压）弹簧的强度计算?K是弹簧指数C的函数，且大于1，其函数图形如图 2.1-3所示。当C4后，K值迅速增大；C12后，K 趋于平稳。趋稳?曲度系数考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影 响响?弹簧钢丝直径的计算 CKFdmax6 . 1= =F为弹簧的最大工作载荷为弹簧的最大工作载荷 d6 . 1Fmax为弹簧的最大工作载荷为弹簧的最大工作载荷（五）拉（压）弹簧的强度计算（五）拉（压）弹簧的强度计算?强度计算公式：?它表征了弹簧在外加负荷 P (F) 的作用下，材料横截面上切应力与结构参数的关系上切应力与结构参数的关系）（31282 = =KPD ?上式即一般弹簧计算用强度公式。）（31 . 23= =Kd ?上式即般弹簧计算用强度公式。?上式通用于= 5 9 时的拉簧、压簧的强度计算。K是C的函数，C是D2、d的函数

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